Zastosowanie
nanotechnologii
w masowo
produkowanych
urządzeniach
jest znacznie
trudniejsze,
niŻ si spodziewano
Peter Vettiger i Gerd Binnig
KaŻdy inŻynier odczuwa satysfakcj,
kiedy zaprojektowane przez niego urządze-
nie trafia do produkcji i powszechnego
uŻytku. Mamy nadziej oceniając szans
na ponad 50% Że przed up"ywem trzech
lat doĘwiadczymy jeszcze wikszej radoĘci
z powodu wprowadzenia na rynek zupe"-
nie nowej klasy urządzeł.
Nanotechnologia, o której dziĘ si mó-
wi, Że wyznacza nowe granice inŻynierii,
zajmuje si projektowaniem urządzeł wiel-
MATRYCA DŁWIGNI wyposaŻonych
koĘci milionowych czĘci milimetra. Bada-
w ostrza zapisuje miliony cyfrowych
nia nad systemami mikroelektromechanicz-
bitów na powierzchni plastiku
nymi (MEMS microelectromechanical
o niezwykle ma"ych rozmiarach.
MARZEC 2003 WIAT NAUKI 25
NANONAPóDY
systems), czyli maszynami, których mi- technologie zbliŻają si do kresu swo- sobie z jakimĘ problemem, najczĘciej
kroskopijne ruchome czĘci wykonuje ich moŻliwoĘci, wynikających z ograni- odpowiedę poznawaliĘmy rok póęniej.
si, wykorzystując podobną technologi czeł natury fizycznej. JeĘli wierzy si, Że rozwiązanie istnie-
jak przy wytwarzaniu uk"adów scalo- W przypadku pierwszych napdów je, ale nie wie si, jak je znaleę, nieza-
nych, wywo"a"y wielki entuzjazm, ale nanomechanicznych jest odwrotnie stąpiona okazuje si intuicja.
na razie nie mają zbyt wielu praktycz- one na razie ukazują zaledwie u"amek
nych zastosował. PoniewaŻ sami pra- swoich moŻliwoĘci. Przed nimi dziesiąt- Szalony pomys"
cujemy juŻ od szeĘciu lat nad projektem ki lat rozwoju. Teoretycznie nic nie stoi HISTORIA MILLIPEDE w pewnym sensie za-
jednego z pierwszych urządzeł, które na przeszkodzie, aby fizyczne odpowied- cz"a si na boisku. Obydwaj graliĘmy
moŻe wejĘ do produkcji masowej, wie- niki pojedynczych bitów zapisywanych, w reprezentacji pi"karskiej IBM Zurich
my, Że rozwiązywania zagadnieł kon- odczytywanych i kasowanych przez Research Laboratory, gdzie pracujemy.
strukcyjnych w tak niewielkiej skali nie przysz"e generacje Millipede kurczy"y Pozna" nas ze sobą kolega z druŻyny,
da si oddzieli od prowadzenia badał si coraz bardziej, aŻ osiągną rozmiary Heinrich Rohrer, który pracowa" w la-
naukowych. Niespodziewane przeszko- pojedynczych cząsteczek, a nawet ato- boratorium od 1963 roku, podobnie jak
dy pojawiają si na kaŻdym etapie mów. Gdy ruchome czĘci nanonap- jeden z nas (Vettiger). W 1981 roku
od pierwszych testów, kiedy sprawdza dów bdą male, rosną bdzie szyb- wspó"pracowa" on z drugim z nas (Bin-
si zasad dzia"ania, przez prototypy, koĘ ich dzia"ania i efektywnoĘ wyko- nigiem) przy konstruowaniu skaningo-
aŻ do chwili kiedy produkt ma juŻ wejĘ rzystania energii. Prawdopodobnie na wego mikroskopu tunelowego (STM),
na rynek. początku technologia Millipede znajdzie który da" upragnioną moŻliwoĘ oglą-
W IBM nazywamy ten projekt Milli- zastosowanie w kartach pamici o wiel- dania pojedynczych atomów i manipu-
pede (Stonoga). JeŻeli prace bdą po- kiej pojemnoĘci, przeznaczonych do cy- lowania nimi.
stpowa w dotychczasowym tempie, frowych aparatów fotograficznych, te- W 1996 roku, w zupe"nie innej sytu-
to oko"o 2005 roku bdzie moŻna ku- lefonów komórkowych i innych urzą- acji, obydwaj rozglądaliĘmy si za no-
pi kart pamici do cyfrowego apa- dzeł przenoĘnych. Karty nanonapdów wym tematem badał. Początek lat dzie-
ratu fotograficznego lub odtwarza- bdą uŻywane podobnie jak obecne kar- widziesiątych by" trudnym okresem
cza plików MP3 nie wikszą od pocz- ty pamici flash, ale za niŻszą cen otrzy- dla IBM i firma zosta"a zmuszona do
towego znaczka. Jej pojemnoĘ nie b- mamy kilkanaĘcie gigabajtów pojemno- odsprzedania zajmującego si laserami
dzie juŻ wynosi kilkadziesiąt megabaj- Ęci. Ta sama technologia moŻe spo- dzia"u badawczego, którego technolo-
tów, jak dzisiejszych kart pamici typu wodowa prze"om w inŻynierii materia- giczną czĘcią kierowa" Vettiger. Binnig
flash, lecz kilkanaĘcie gigabajtów, a "owej, biotechnologii oraz w innych dzie- zlikwidowa" swoje laboratorium tech-
wic wystarczająco duŻo, by zmieĘci dzinach, których istnienie dziĘ nawet niki satelitarnej w Monachium i wróci"
ca"ą kolekcj p"yt CD lub kilka filmów trudno przewidzie. do Zurychu. Wtedy razem z Rohrerem
fabularnych. Dane da si wielokrotnie To w"aĘnie perspektywa d"ugotrwa"e- zainicjowaliĘmy burz mózgów, zasta-
kasowa i zapisywa. SzybkoĘ urzą- go postpu wzbudzi"a przed paru laty nawiając si, jak wykorzysta mikro-
dzenia powinna by doĘ duŻa, a zuŻy- nasz entuzjazm. Po drodze zdąŻyliĘmy skop tunelowy lub skaningowy mikro-
cie mocy niewielkie nazwijmy go wic si juŻ nauczy, Że czasem jedyną szan- skopy sondujący (SPM Scaning Probe
nanonapdem. są ominicia przeszkody jest przypad- Microscope), a w szczególnoĘci mikro-
Pomys" takiego urządzenia moŻe wy- kowe odkrycie. Na szczĘcie oprócz nie- skop si" atomowych (AFM Atomic For-
da si interesujący, ale nie rewolucyjny. przewidywalnych trudnoĘci zdarzają si ce Microscope) w dziedzinach wykra-
PojemnoĘci kart pamici flash teŻ si- równieŻ mi"e niespodzianki. Wydaje si, czających poza badania naukowe.
gają gigabajtów. Zadziwia jednak to, Że Że natura nagradza tych, którzy mają Mikroskop AFM, wymyĘlony przez
Millipede zapisuje dane w zupe"nie innej odwag wkracza na niezbadane obsza- Binniga i udoskonalony wspólnie z Chri-
postaci niŻ dyski magnetyczne, optycz- ry. Ale nie zawsze tak jest i wtedy pro- stophem Gerberem z laboratorium w
ne dyski kompaktowe i pamici scalo- blemy trzeba rozwiązywa samemu. Je- Zurychu i Calvinem F. Quate em ze Stan-
ne oparte na tranzystorach. Po latach Żeli nawet zdarza"o si, Że w pewnej ford University, jest najczĘciej stosowa-
spektakularnego rozwoju te dojrza"e juŻ chwili nie mieliĘmy pojcia, jak poradzi nym przyrządem umoŻliwiającym lokal-
ne badanie powierzchni. Podobnie jak
STM, tak i AFM tchną" w mikroskopi
Przegląd / Projekt Millipede zupe"nie nowego ducha. Zamiast po-
wiksza obserwowane obiekty za po-
n
Stosowane dziĘ metody cyfrowego zapisu danych zbliŻają si do granic moŻliwoĘci
mocą soczewek skupiających wiązk
fizycznych, co powstrzyma dalsze zwikszanie pojemnoĘci. MoŻliwoĘci, które daje
Ęwiat"a lub elektronów, mikroskop AFM
nanonapd Millipede mikroelektromechaniczne urządzenie uzupe"nione elementami
o rozmiarach nanometrowych zaczynają si tam, gdzie obecne technologie ciągnie po powierzchni obiektu maluteł-
prawie juŻ nie sigają.
ką dęwigni albo dotyka jej tą dęwignią
n
Sercem Millipede jest sie malutkich dęwigni do odczytu, zapisu i kasowania danych
raz za razem. Na kołcu dęwigienki znaj-
na powierzchni polimerowego noĘnika. Ostrza dęwigni wykonują wgniecenia
duje si ostro zakołczona piramidka,
odpowiadające wartoĘci 1 ; brak wg"bienia oznacza 0 .
której wierzcho"ek ma Ęrednic mniej-
n
Pierwsze produkty, w których zostanie zastosowana technologia Millipede,
szą niŻ 20 nm, co odpowiada kilkuset
najprawdopodobniej przeznaczone do przenoĘnych urządzeł elektronicznych karty pamici
atomom. Kiedy ostrze umieszczone na
o rozmiarach znaczka pocztowego, powinny si pojawi w ciągu najbliŻszych trzech lat.
dęwigni przesuwa si po zag"bieniach i
26 WIAT NAUKI MARZEC 2003
SLIM FILMS (
poprzednie strony
)
JAK DZIAA NANONAPóD
PROTOTYP MILLIPEDE przypomina nieco mikroskopijną dziurkark do kart
NoĘnik polimerowy
P"askie sprŻynki
ostrza malutkich krzemowych dęwigni wygniatają dane na powierzchni
Stolik
krzemowe
polimerowego noĘnika. Matryca z"oŻona z 4096 u"oŻonych w rzdy dęwigni, skanujący
których ostrza są skierowane w gór, jest sprzŻona z mikrouk"adem
sterującym, który zamienia informacje zapisane za pomocą wg"bieł
w strumieł bitów. Pod"oŻe pokryte polimerem jest podwieszone na p"askich
sprŻynach do stolika skanującego. UmoŻliwia to malutkim magnesom
(niewidoczne na rysunku) i cewkom elektromagnetycznym przesuwanie
stolika na boki w sta"ej p"aszczyęnie nad ostrzami. Ostrza dotykają
Si"owniki
tworzywa, poniewaŻ dęwignie wyginają si w gór o mniej niŻ 1 m.
elektromagnetyczne
Dęwignia z silnie
Matryca dęwigni
domieszkowanego
krzemu
Grzejnik
Mikroobwody sterujące
Wstpnie naprŻona
i czytające
warstwa azotku krzemu
Pod"oŻe
Polimer
Prąd kasowania
Dęwignia
Prąd zapisu
Wg"bienie:
g"bokoĘ
25 nm,
najwiksza
Ęrednica
40 nm
ZAPIS BITU KASOWANIE BITU
Ostrza, dziki temperaturze i mechanicznemu naciskowi, wykonują W najnowszych prototypach Millipede zapisany wczeĘniej bit jest
rzdy stoŻkowych wgnieceł, które odpowiadają cyfrowym jedynkom. kasowany w wyniku ogrzania ostrza do 400C i utworzenia obok
W tym celu przez dęwigni jest przepuszczany prąd elektryczny, nowego wg"bienia, w wyniku czego stare si wype"nia. Inna
który ogrzewa obszar domieszkowanego krzemu do temperatury metoda kasowania polega na wsuniciu i wysuniciu rozgrzanego
400C. Dziki wstpnemu naprŻeniu struktury dęwignia wygina si ostrza z wg"bienia, które ma by usunite. Wg"bienie si wype"nia
w kierunku polimeru. Brak wgniecenia odpowiada wartoĘci 0. i powierzchnia tworzywa jest znowu p"aska.
ODCZYT BITU
Przed odczytem danych ostrza są ogrzewane wstpnie do oko"o 300C.
Kiedy ostrze napotyka wg"bienie, oddaje ciep"o do tworzywa. W rezultacie
na krótką chwil och"adza si i mniej wicej o kilka tysicznych zmienia
swój opór elektryczny. Cyfrowy procesor sygna"u zamienia te s"abe
sygna"y (poniŻej) w ciąg bitów (na dole z prawej).
Wg"bienia
na powierzchni
noĘnika
Prąd odczytu
Strumieł danych 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1
1
Sygna" wyjĘciowy
0
MARZEC 2003 WIAT NAUKI 27
BRYYAN CHRISIE DESIGN
wzniesieniach (w kontakcie z powierzch- ne zmikcza"o plastik, co u"atwia"o wy- powietrza. Mimo Że dzia"a"o to ca"kiem
nią lub w jej bezpoĘredniej bliskoĘci), konanie wgniecenia. Badacze potrafili nieęle, by"o nieco k"opotliwe, poniewaŻ
komputer t"umaczy związane z tym zapisywa dyski podobne do kompak- dane, które naleŻa"o zachowa, trzeba
ugicie dęwigni na obraz, który w sprzy- towych z gstoĘcią nawet wikszą niŻ w by"o przed skasowaniem przenosi do
jających okolicznoĘciach pozwala do- przypadku dzisiejszych p"yt DVD. Prze- innego pola. Zachowując w pamici te
strzec kaŻdy mijany atom. prowadzili teŻ staranne badania trwa- zgrubne idee, wyruszyliĘmy na wypraw
Kiedy w po"owie lat osiemdziesiątych "oĘci uk"adu, które da"y obiecujące wy- w interdyscyplinarną krain. PoniewaŻ
Binnig rejestrowa" pierwsze obrazy ato- niki. Nie zmieni"o to faktu, Że jego obydwaj znaleęliĘmy si w jednym ze-
mów krzemu, czsto zdarza"o mu si dzia"anie by"o nadal zbyt wolne i nie spole, uda"o si nam po"ączy wysi"ki
uderzy ostrzem o powierzchni, co po- uda"o si znaleę sposobu kasowania i dwóch dzia"ów IBM fizyki i techniki.
zostawia"o na niej wgniecenie. MoŻli- ponownego zapisu danych. (W kołcu nastąpi"o takŻe ich formalne
woĘ wykorzystania mikroskopu STM Nasz zespó" zaproponowa" konstruk- po"ączenie w jeden dzia" nauki i techno-
lub AFM jako urządzenia do cyfrowe- cj, która, jak sądziliĘmy, uzupe"nia"a bra- logii.) Przy"ączy" si teŻ do nas Evange-
go zapisu danych w skali atomowej na- kujące elementy. Dlaczego, zamiast ogra- los Eleftheriou wraz ze swoim zespo"em
rzuca"a si sama wgniecenie dla ze- nicza si do pojedynczej dęwigni, nie z oddzia"u naszego laboratorium zajmu-
ra, brak wgniecenia dla jedynki. Równie skorzysta z doĘwiadczeł producentów jącego si systemami komunikacyjnymi.
oczywiste by"y powstające w związku z uk"adów scalonych, którzy umieją wyko- DziĘ wspó"pracuje z nami takŻe kilka in-
tym problemy. Ostrze pozostaje w fi- na na p"ytce krzemowej wielkoĘci pa- nych grup z oddzia"u badawczego IBM
zycznym kontakcie z powierzchnią, dla- znokcia tysiące, a nawet miliony iden- oraz z róŻnych uniwersytetów.
tego jego ruch jest wolny w porówna- tycznych mikroskopowych czĘci? Pracu- Kiedy spotykają si róŻne Ęwiaty, nie
niu z wirowaniem talerza dysku jąc równolegle niczym odnóŻa stonogi daje si unikną nieporozumieł, przy-
twardego lub trwającym nanosekundy armia powolnych ostrzy mikroskopu najmniej z początku. My jednak odnie-
prze"ączaniem si tranzystorów. AFM mog"aby zapisywa i odczytywa ĘliĘmy ogromną korzyĘ z konfrontowa-
Wkrótce poznaliĘmy inne plusy i mi- dane z rozsądną szybkoĘcią. W tym przy- nia róŻnych punktów widzenia.
nusy. Dziki bardzo ma"ej masie dęwigni padku waŻniejsza od samego pomys"u
mikroskop AFM pracujący w trybie bez- by"a wyobraęnia niezbdna do jego urze- Przede wszystkim praca
poĘredniego kontaktu z powierzchnią czywistnienia. Wiedząc, Że dzia"anie po- NIE BYLIMY EKSPERTAMI od uk"adów
MEMS, a specjaliĘci w tej dziedzinie i w
skaningowej mikroskopii sondującej od-
rzucili naszą ide jako bzdurną. ChociaŻ
inni, jak grupa Quate a ze Stanford Uni-
versity, pracowali w tym samym czasie
nad zapisem danych, opartym na tech-
nologii AFM i STM, tylko nasz projekt
przewidywa" zastosowanie wielkiej ska-
li integracji sond. MieliĘmy nadziej, Że
uda si nam przynajmniej czĘciowo wy-
kaza s"usznoĘ pomys"u, demonstrując
dzia"ający prototyp na 11 Midzynaro-
dowych Warsztatach Systemów Mikro-
elektromechanicznych, odbywających si
Najnowszy prototyp Millipede
w styczniu 1998 roku w Heidelbergu pod
Eksperci w dziedzinie uk"adów MEMS i skaningowej mikroskopii
sondującej uznali naszą ide za bzdurną.
dzia"a znacznie szybciej niŻ STM lub jedynczego mikroskopu AFM nastrcza auspicjami IEEE. MogliĘmy jednak poka-
AFM w trybie niekontaktowym, chociaŻ czasami problemów, wierzyliĘmy jednak, za tylko prawie dzia"ający prototyp.
nadal jest on znacznie wolniejszy od dys- Że bdzie realne równoleg"e funkcjono- ZaprezentowaliĘmy macierz w uk"adzie
ków magnetycznych. Ale ostrza w mi- wanie duŻej liczby takich uk"adów. 5 5 ostrzy rozmieszczonych na po-
kroskopie kontaktowym szybko si zuŻy- Na początek potrzebowaliĘmy przy- wierzchni 25 mm2. Ugicia dęwigni by"y
wają, jeŻeli bada si nimi powierzchni najmniej jednej metody kasowania, nie- rejestrowane za pomocą zintegrowanych
metalu. I co najwaŻniejsze nie ma koniecznie eleganckiej. OpracowaliĘmy elementów piezorezystancyjnych.
prostego sposobu skasowania wg"bie- sposób wymazywania duŻych pól z zapi- Zdo"aliĘmy zademonstrowa równo-
nia utworzonego przez ostrze. sanymi bitami. OgrzewaliĘmy obszar no- leg"y odczyt, ale równoleg"y zapis by"
Grupa Dana Rugara z IBM Almaden Ęnika powyŻej temperatury, w której po- niemoŻliwy. PrzeoczyliĘmy z pozoru b"a-
Research Center w San Jose w Kalifor- limer zaczyna p"yną i wyg"adza si hy, ale decydujący szczegó" techniczny:
nii próbowa"a ogrzewa ostrze, oĘwietla- podobnie jak powierzchnia wosku, kie- druciki prowadzące do grzejników by"y
jąc je impulsami laserowymi. Rozgrza- dy skierujemy na nią strumieł gorącego zbyt cienkie w stosunku do natŻenia
28 WIAT NAUKI MARZEC 2003
IBM
WIóCEJ OSTRZY NA MNIEJSZEJ POWIERZCHNI
EWOLUCJA PROTOTYPU. Podczas gdy chip pierwszej
generacji Millipede zawiera" macierz 25 dęwigni
rozmieszczonych w kwadracie o boku 5 mm (poniŻej),
kolejny prototyp (z prawej) zawiera" juŻ 1024 dęwignie
w mniejszym, trzymilimetrowym kwadracie.
p"ynącego przez nie prądu. Przepala"y gra. Prąd elektryczny bdzie dociera" p"ywem prądu. PobieŻne obliczenia i sy-
si natychmiast niczym przeciąŻone bez- wszdzie jednoczeĘnie. Nie da si w mulacje, które przeprowadzi" cz"onek na-
pieczniki z powodu elektromigracji w niezawodny sposób wysy"a sygna"u do szego zespo"u Urs Drig, wykaza"y, Że w
warstwach metalicznych. Elektromigra- poszczególnych dęwigni. przypadku matrycy tysiącelementowej
cja jest zjawiskiem szeroko opisywanym Niekontrolowany przep"yw prądu jest zaadresowanie pojedynczej dęwigni w
w literaturze fachowej i powinniĘmy o zjawiskiem dobrze znanym, wystpują- celu zapisu powinno by moŻliwe, nie da
niej pamita. Nie by" to zresztą nasz cym, kiedy poszczególne elementy ma- si jednak wtedy dokona odczytu, po-
jedyny b"ąd. Nie mieliĘmy jednak opo- trycy są adresowane za pomocą wierszy niewaŻ sygna" generowany przez poje-
rów przed przyznawaniem si do b"- i kolumn. Powszechnie stosowanym roz- dyncze dęwignie by"by za s"aby.
dów i szybko je naprawialiĘmy. wiązaniem jest wyposaŻenie kaŻdego ele-
Mimo trudnoĘci nasi szefowie dostrze- mentu w prze"ącznik tranzystorowy. Nie Bada, aby wdroŻy
gli rzeczywisty postp. Zgodzili si na da si jednak umieĘci w pobliŻu kaŻde- TEJ NOCY VETTIGER spa" marnie, ponie-
powikszenie naszego zespo"u do oĘmiu go ostrza tranzystora na tym samym uk"a- waŻ ten problem nie dawa" mu spoko-
osób. Pracując nad matrycą z 25 ostrza- dzie scalonym, poniewaŻ ostrzenie ko- ju. Zespó" mia" w"aĘnie zakołczy pro-
mi, nauczyliĘmy si, Że trzeba zrezy- niuszków dęwigienek wymaga wysokiej jektowanie uk"adu matrycy sk"adającej
gnowa z po"ączeł aluminiowych, co temperatury, która zniszczy"aby delikat- si z 1024 elementów, ale Vettiger ka-
uczyniliĘmy, stosując dęwignie z silnie ne tranzystory. PróbowaliĘmy wic naj- za" nam poczeka. Przez wiele dni ze-
domieszkowanego krzemu. Przekonali- róŻniejszych trików, dziki którym da"o- spó" pracowa" do upad"ego nad rozwią-
Ęmy si równieŻ, Że da si z wielką do- by si uzyska lepszą kontrol nad zaniem, aŻ wreszcie Vettiger i Michel
k"adnoĘcią, nawet w przypadku duŻej przep"ywem prądu, ale Żaden z nich nie Despont je znaleęli. NaleŻa"o kaŻdą
powierzchni, wypoziomowa matryc zadowoli" Vettigera. Im wiksza matry- dęwigni wyposaŻy w diod Schott-
ostrzy nad noĘnikiem danych, a to po- ca, tym powaŻniejsze problemy z prze- ky ego elektryczny odpowiednik uli-
zwoli"o nam szybko przejĘ do znacznie
wikszych matryc.
PETER VETTIGER i GERD BINNIG wspó"pracują, doskonaląc budow nanonapdu Millipe-
Jeden waŻny problem dostrzeg" Vet-
de. Vettiger ma wieloletnie doĘwiadczenie w zakresie wytwarzania mikro- i nanouk"adów.
tiger, kiedy w maju 1998 roku wyg"a-
Od 1963 roku pracuje w IBM Zurich Research Laboratory. W 1965 roku uzyska" tytu" dok-
sza" referat w IBM Almaden Research
tora w zakresie technologii komunikacji i elektroniki w Uniwersytecie Nauk Stosowanych w
Center. Opisywa" w"aĘnie, Że dęwignie
Zurychu. Jego dzia"alnoĘ akademicka zosta"a nagrodzona doktoratem honorowym przyzna-
powinny by rozmieszczone w regular-
nym mu w 2001 roku przez Uniwersytet w Bazylei. Binnig uzyska" doktorat z fizyki w 1978
nych wierszach i kolumnach i po"ączo-
roku w Uniwersytecie Johanna Wolfganga Goethego w Frankfurcie nad Menem. W tym sa-
ne siatką elektrycznych przewodów.
mym roku podją" prac w laboratorium w Zurychu. WĘród wielu nagród i wyróŻnieł za wy-
Gdy t"umaczy", jak ca"y uk"ad bdzie
bitne osiągnicia naukowe znalaz"a si Nagroda Nobla, którą w 1986 roku otrzyma" wraz z
dzia"a, uĘwiadomi" sobie, Że to nie za- Heinrichem Rohrerem za wynalezienie skaningowej mikroskopii tunelowej.
MARZEC 2003 WIAT NAUKI 29
O AUTORACH
IBM
cy jednokierunkowej. Ten silnie nieli- wp"ywem odkszta"ceł mechanicznych Drugi prototyp zaprezentowaliĘmy w
niowy element moŻe zablokowa prze- zmienia" swój opór w ten sposób da"o 1999 roku na konferencji poĘwiconej
p"yw niepoŻądanego prądu do dęwigni. si stwierdzi, Że ostrze znalaz"o si w uk"adom MEMS. Tym razem zrobiliĘmy
PrzerobiliĘmy projekt i wkrótce mie- zag"bieniu, odpowiadającemu cyfrowej duŻe wraŻenie. A tym, co naprawd pod-
liĘmy nasz drugi prototyp matryc jedynce. PoszukiwaliĘmy rozwiązał, któ- ekscytowa"o menedŻerów z IBM, by"y
ostrzy w uk"adzie 32 32. re pozwoli"yby precyzyjniej wykrywa zdjcia rzdów regularnych wg"bieł,
PrzekonaliĘmy si wówczas, Że wie- zag"bienia. PrzeprowadziliĘmy próby z które Millipede zostawia"a na po-
le naszych pomys"ów by"o dobrych. diodami Schottky ego zintegrowanymi z wierzchni noĘnika. Wg"bienia by"y od-
Wszystkie 1024 dęwignie by"y sprawne dęwigniami, licząc na to, Że odkszta"ce- dalone od siebie o zaledwie 40 nm ich
i wygina"y si, dzia"ając w"aĘciwą si"ą nia zmodyfikują ich opór. Okaza"o si, Że gstoĘ 30 razy przekracza"a gstoĘ bi-
na umieszczoną w ich pobliŻu po- diody nie mają oczekiwanych w"aĘciwo- tów na najlepszych dyskach twardych
wierzchni mikkiej warstwy polimeru Ęci. Pomimo to napotkanie zag"bienia dostpnych na rynku.
PMMA. Miedziane cewki elektroma- dawa"o silny sygna". Po zastanowieniu Wkrótce potem, na początku 2000 ro-
gnetyczne, które umieĘciliĘmy za stoli- zrozumieliĘmy przyczyn. Okaza"o si, ku, projekt Millipede zmieni" swój cha-
kiem skanującym, zapobiega"y zbytnie- Że jest nią efekt cieplny. JeŻeli dęwigni rakter. Coraz wicej uwagi poĘwicali-
mu odchylaniu si powierzchni warstwy, ogrzeje si wstpnie do temperatury Ęmy przygotowaniu prototypowego
która przesuwa"a si w lewo, w prawo, 300C, która jest zbyt niska, aby utwo- systemu zapisu danych. Zespó" rozrós"
w gór lub w dó" wzgldem zespo"u rzy zag"bienie, jej opór elektryczny si do oko"o 12 osób, poniewaŻ ponow-
dęwigni. Nowy skaner, który zaprojekto- gwa"townie maleje, kiedy ostrze wpada w nie po"ączyliĘmy wysi"ki dwóch oddzia-
wali Mark Lantz i Hugo Rothuizen, za- rowek [ilustracja na stronie 27]. "ów dosz"a do nas grupa Eleftheriou.
pewnia" duŻo wikszą odpornoĘ na Nigdy sami nie wpadlibyĘmy na po- WnieĘli oni unikalną wiedz na temat
drgania. Na kołcu kaŻdej dęwigni d"u- mys", aby wykorzystywa zjawiska ciepl- technologii zapisu kana"owego, którą
goĘci 50 m znajdowa" si niewielki ne do pomiaru ruchu, ugicia czy po"o- Eleftheriou z powodzeniem zastosowa"
wczeĘniej w przypadku noĘników ma-
gnetycznych. Zajli si opracowywa-
niem ca"ej strony elektronicznej dla w
pe"ni funkcjonalnego prototypu od
przetwarzania sygna"ów na podstawo-
wym poziomie i korekcji b"dów aŻ po
architektur systemu i sterowanie.
OdkryliĘmy w"aĘnie metod lokalne-
go kasowania zapisu, a dziki wspó"pra-
cy z Eleftheriou uda"o si nam nawet
opracowa system, w którym nadpisy-
wanie nie wymaga"o wczeĘniejszego wy-
mazywania. W nowej metodzie lokalne-
go kasowania, kiedy temperatura ostrza
Prototyp trzeciej generacji.
jest dostatecznie wysoka, aby zmikczy
JeĘli si wierzy, Że rozwiązanie istnieje, ale nie wie si,
jak je znaleę, niezastąpiona okazuje si intuicja.
rezystor. Impuls prądu dostarczony Żenia. W duŻej skali efekty takie są zbyt materia", sprŻystoĘ polimeru i napi-
przez ostrze rozgrzewa" go do oko"o wolne i zawodne ze wzgldu na kon- cie powierzchniowe powodują wype"-
400C na kilka mikrosekund. wekcj okrŻny ruch p"ynnego oĘrod- nienie si wgniecenia. Zamiast podgrze-
Pierwsze wyniki uzyskane dla matry- ka, w tym przypadku powietrza, pod wa wikszą powierzchni grzejnikiem
cy 32 32 by"y bardzo zachcające. wp"ywem ciep"a przep"ywającego mi- zintegrowanym z pod"oŻem jak w opi-
Przesz"o 80% spoĘród 1024 dęwigni dzy dwoma obiektami o róŻnych tem- sanej wczeĘniej metodzie kasowania blo-
dzia"a"o w pierwszej próbie poprawnie. peraturach. W skali mikro zaburzenia kowego oĘrodek jest podgrzewany lo-
Pojawi" si tylko jeden ciemny pas prze- takie nie wystpują, a sta"e czasowe opi- kalnie za pomocą samego ostrza. W
cinający Ęrodek pola zapisu, bdący sujące przekaz ciep"a są rzdu mikro- czasie tej operacji na skutek oddzia"y-
skutkiem deformacji uk"adu podczas je- sekund. ChociaŻ wynik by" nieoczeki- wał elektrostatycznych nie da si unik-
go montaŻu. W naszych najĘmielszych wany, okaza" si niezwykle uŻyteczny. ną dzia"ania na ostrze pewnych si" ob-
marzeniach nie spodziewaliĘmy si aŻ MogliĘmy teraz wykorzysta ten sam ciąŻających. Dlatego kiedy ostrze jest
takiego sukcesu na tak wczesnym eta- grzejnik na kaŻdej dęwigni zarówno do ogrzane do dostatecznie wysokiej tempe-
pie prac projektowych. odczytu, jak i zapisu bitu. Okaza"o si, Że ratury i tworzy si nowe wg"bienie, jed-
W strukturze o wymiarach 5 5 u pod- zamiast trzech, a nawet czterech dru- noczeĘnie są kasowane bity w bliskim
stawy kaŻdej dęwigni by" umieszczony tów pod"ączonych do kaŻdej dęwigni, sąsiedztwie. JeŻeli wgniecenia w rz-
czujnik piezorezystancyjny, który pod wystarczą nam tylko dwa. dzie są gsto rozmieszczone, kaŻdy no-
30 WIAT NAUKI MARZEC 2003
IBM
wo zapisany bit powoduje wymazanie
poprzedniego i w rezultacie w rzdzie
pozostaje tylko ten ostatni. Taki mecha-
nizm moŻna wykorzysta do zapisu no-
wych danych w miejscu starych, nawet
jeĘli si nie zna tych drugich. ącząc na-
sze doĘwiadczenie w dziedzinie fizyki
ze znajomoĘcią technologii zapisu ka-
na"owego Eleftheriou, opracowaliĘmy
specjalną metod wymuszonego kodo-
wania w celu bezpoĘredniego zapisu no-
wych danych.
By"o dla nas oczywiste, Że trzeba teraz
pracowa nad szybkoĘcią zapisu i ogra-
niczeniem zuŻycia energii przez Milli-
pede. MusieliĘmy zaczą mierzy stosu-
nek sygna" szum, czstoĘ b"dów i inne
parametry decydujące o niezawodnoĘci
cyfrowego zapisu danych przez nasz na-
nonapd. Trzeba by"o teŻ zdecydowa o
rozmiarach i kszta"cie nanonapdu. Mo-
Że on okaza si bardzo waŻny na rynku
elektroniki uŻytkowej, szczególnie w seg-
mencie urządzeł przenoĘnych, który wy-
braliĘmy jako pierwszą dziedzin poten-
cjalnego zastosowania naszego uk"adu.
Dalsza droga
W OSTATNICH MIESIŃCACH 2002 roku do-
skonaliliĘmy prototyp trzeciej generacji,
który mia" 4096 dęwigni w postaci ma-
trycy 64 64 o d"ugoĘci boku 6.4 mm.
Upakowanie wikszej liczby dęwigni w
jednym uk"adzie jest trudne, ale wyko-
nalne. Obecnie zmieĘciliĘmy na jednym
krąŻku o Ęrednicy 200 mm, wycitym z
monokryszta"u krzemu, 250 uk"adów, z
których kaŻdy wyposaŻony by"by w mi-
lion dęwigni. Naszym g"ównym celem
jest obecnie znalezienie kompromisu po-
midzy dwoma wymogami. Po pierwsze
kompletny nanonapd nie tylko ma-
tryca ostrzy i stolik skanujący, ale takŻe
zintegrowana z nimi mikroelektronika
sterująca musi by na tyle tani, aby od
razu sta" si konkurencyjny i, szczegól-
nie ze wzgldu na urządzenia przeno-
Ęne, pobiera" niewiele energii. Poza tym
waŻne jest, aby uk"ad dzia"a" niezawod-
nie mimo uszkodzeł, które nastąpią w
wyniku jego wieloletniego uŻytkowania.
ZnaleęliĘmy polimery, które wykazują
jeszcze lepsze w"aĘciwoĘci niŻ PMMA.
Wykonane w nich wg"bienia są stabilne
przez okres co najmniej trzech lat, a zapi-
sywanie i kasowanie moŻna powtarza
przynajmniej 100 tys. razy. Nie wiemy na-
tomiast, jak bdą zachowywa si ostrza
w czasie kilkuletniej eksploatacji oko"o
100 mld wgnieceł. Drig i Bernd Gots-
szerzalnoĘci. JeŻeli temperatura noĘni-
Projekty pamici o wysokiej gstoĘci
ka polimerowego i dęwigni krzemowych
bdzie róŻni si wicej niŻ o 1C, siat-
PROJEKT MILLIPEDE realizowany przez IBM jest tylko jednym z kilku
ka bitów przestanie pasowa do uk"adu
przedsiwzi zmierzających do wprowadzenia na rynek niewielkich
ostrzy. SprzŻenie zwrotne kompensują-
pamici komputerowych o wysokiej gstoĘci.
ce takie niedopasowanie skomplikowa-
FIRMA TECHNOLOGIA POJEMNO WPROWADZENIE NA RYNEK
"oby ca"y uk"ad, a przez to zwikszy"o
jego cen. Nie do kołca wiemy, jak naj-
Hewlett-Packard mikroskop si" atomowych na początku koniec dekady
lepiej rozwiąza ten problem.
Palo Alto, (AFM) wielkoĘci paznokcia, przynajmniej
Kalifornia, odczyt i zapis danych 1 GB Na szczĘcie po raz kolejny pomagają
USA z wykorzystaniem wiązki nam w"asnoĘci fizykochemiczne mate-
elektronowej
ria"ów. Millipede i pod"oŻe warstwy po-
limerowej są wykonane z krzemu i dlate-
Hitachi urządzenie oparte nie ujawniono nie ujawniono
go rozszerzają si w tym samym stopniu,
Tokio, na technologii AFM;
jeŻeli mają taką samą temperatur. Co
Japonia szczegó"ów nie ujawniono
wicej, odstp midzy macierzą ostrzy a
Nanochip matryce dęwigni potencjalnie prawdopodobnie
pod"oŻem jest tak ma"y, Że powietrze za-
Oakland, z ostrzami (AFM) zapisujące do 50 GB 2004 rok
mknite miedzy nimi doskonale przewo-
Kalifornia, dane na powierzchni
dzi ciep"o. Dlatego pojawienie si róŻni-
USA chipu krzemowego
cy temperatur midzy tymi elementami
początkowo pó" gigabajta;
jest prawie niemoŻliwe.
Royal Philips system optyczny do gigabajta prawdopodobnie
PoniewaŻ program Millipede jest na
Electronics przypominający na stron; 2004 rok
tyle zaawansowany, Że moŻemy podją
Eindhoven, zapisywalny dysk CD; prawdopodobnie
juŻ pierwsze kroki zmierzające do przy-
Holandia zapis i odczyt za pomocą "ącznie do 4 GB
gotowania konkretnego produktu, do
niebieskiego lasera
naszego zespo"u do"ączy" Thomas R. Al-
na dysku o Ęrednicy 3 cm
brecht, specjalista w technologii zapisu
Seagate system wielokrotnego 10 GB na chip prawdopodobnie
danych z IBM Almaden, który pomóg"
Technology zapisu oparty na dla urządzeł 2006 rok
wprowadzi na rynek stworzony w IBM
Scotts Valley, technologii AFM lub innej; przenoĘnych lub póęniej
napd Microdrive. Podobna droga czeka
Kalifornia rozmiary chipu: 1 cm
w nastpnych latach napd Millipede.
USA
Dla nas i pozosta"ych cz"onków ze-
spo"u rozpoczcie etapu wdraŻania pro-
mann z naszego zespo"u wspó"pracują mieszczone wzd"uŻ prostych ĘcieŻek. duktu oznacza, Że losy Millipede w co-
ĘciĘle z kolegami z IBM Almaden Rese- Oznacza to, Że stolik skanujący musi raz wikszym stopniu zaleŻe bdą od
arch Center, starając si zmodyfikowa by p"aski, zorientowany równoleg"e do innych ludzi. W rzeczywistoĘci, nie je-
istniejące polimery lub opracowa nowe, uk"adu dęwigni i przesuwa si ze sta- steĘmy wcale pewni, czy program Mil-
tak aby spe"nia"y wymagania, które na- "ą prdkoĘcią, a wszystko to z dok"adno- lipede doprowadzi do powstania komer-
rzuca tworzona technologia zapisu. Ęcią do kilku nanometrów. Niedawno cyjnego urządzenia. ChociaŻ jako
ChociaŻ ludzkie oko obserwujące okaza"o si, Że zawieszając stolik na naukowcy nie uznajemy go juŻ za przed-
powierzchni noĘnika danych stoso- sprŻynkach wykonanych z krzemu, siwzicie bardzo ryzykowne, nadal cie-
wanego w Millipede z "atwoĘcią rozpo- moŻemy zapewni znacznie lepszą kon- szymy si z kaŻdych dzia"ających no-
zna, które bloki siatki zawierają wg"- trol jego ruchu. Aby urządzenie zacho- wych prototypów. JeĘli bdziemy mie
bienia, a które nie, zaprojektowanie pro- wa"o nanometrową dok"adnoĘ, nawet szczĘcie, to w naszych najnowszych
stego uk"adu elektronicznego zdolne- wtedy gdy bdzie trząĘ si przypite prototypach ujawnią si problemy, któ-
go realizowa z wysoką niezawodno- do paska osoby uprawiającej jogging, re bdziemy potrafili rozwiąza.
Ęcią t samą funkcj nie jest wcale takie dodamy uk"ad aktywnego sprzŻenia W najgorszym przypadku pozostanie
"atwe. Sprawdzanie, które bity mają zwrotnego. nam satysfakcja, Że opracowana przez
wartoĘ 0, a które wartoĘ 1, jest o wie- W kaŻdym uk"adzie mechanicznym, nas nanotechnologia pierwsza umoŻliwi-
le prostsze, jeŻeli wszystkie wgniecenia który podobnie jak Millipede wydziela "a badaczom skanowanie powierzchni
mają t samą g"bokoĘ i są równo roz- ciep"o, trzeba rozwiąza problem roz- wielkoĘci 1 cm2 z niemal atomową roz-
dzielczoĘcią. Dotychczas nasz projekt
przyniós" prawie 30 patentów o doĘ
podstawowym znaczeniu. Nikt nie wie,
JELI CHCESZ WIEDZIE WIóCEJ
kiedy nanonapdy pojawią si na ryn-
In Touch with Atoms. Gerd Binnig i Heinrich Rohrer; Reviews of Modern Physics, tom 71, nr 2,
ku, ale z pewnoĘcią są one nowym ro-
s. S324-S330, III/1999.
The Millipede Nanotechnology Entering Data Storage. P. Vettiger, G. Cross, M. Despont, U. Drech- dzajem przydatnych urządzeł i to juŻ
sler, U. Drig, B. Gotsmann, W. Hberle, M. A. Lantz, H. E. Rothuizen, R. Stutz i G. Binnig; IEEE
jest dla nas wystarczająca nagroda.
Transactions on Nanotechnology, tom 1, nr 1, s. 39-55, III/2002.
Wicej informacji na temat nanotechnologii opracowywanych w IBM Research i w innych labora- T"umaczy"
toriach na stronie: www.research.ibm.com/pics/nanotech/ Rafa" BoŻek
32 WIAT NAUKI MARZEC 2003
ZEBRANIE DANYCH: TARIQ MALIK
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
nanonapelniacze kompozytów polimerowychwięcej podobnych podstron